燃料电池材料研究进展

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1、燃料电池材料研究进展引言随着工业化过程的进一步加强，大气中二氧化碳的排放量和污染程度加剧，导致了温室效应越来越明显，因此环保问题引起了各国政府的重视。为此，绿色能源技术引起了各国的普遍关注，并且正在逐步成为一种趋势。经过各方的互相协作和努力，燃料电池技术正日趋成熟。从本质上讲，燃料电池(FC)是一种可以等温、直接地将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效(50％70％)、无污染地转化为电能的发电装置，不必经过热机过程，不受卡诺循环限制，因而能量转化效率高，且具有无噪音，无污染，可靠性及维护性好等诸多优点

2、，引起了全世界的广泛关注，正在成为理想的替代能源。燃料电池的发展过程1839年，格罗夫发表了第一篇有关燃料电池研究的报告。1889年，蒙德和朗格尔采用了浸有电解质的多孔非传导材料为电池隔膜，以铂黑为电催化剂，以铂或金片为电流收集器组装出燃料电池。但此后的一段时间里，人们在探索燃料电池发电过程的实验都因为反应速度太慢而使实验没有成功。与此同时，热机研究却取得了突破性进展并成功运用而迅速发展。因此燃料电池技术在数十年内没能取得大的进展.直到1923年，由施密特提出了多孔气体扩散电极的概念，在此基础上，培

3、根提出了双孔结构电池概念，并成功开发出中温度培根型碱性燃料电池。以此为基础，经过一系列发展，这项燃料电池技术得到了突飞猛进的发展。在20世纪60年代由普拉特-惠特尼公司研制出的燃料电池系统，并成功应用于宇航飞行，使得燃料电池进入了应用阶段。FC的发电原理与化学电源一样，电极提供电子转移的场所：阳极催化燃料，如氢的氧化过程；阴极催化氧化剂，如氧等的还原过程；导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路作功并构成电的回路。一、染料电池的原理及特点但是FC的工作方式又与常规的化学电源不同，而更类似

4、于汽油、柴油发电机。燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外的储罐中。当电池发电时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时也要排除一定的废热，以维护电池工作温度的恒定。FC本身只决定输出功率的大小，其储存能量则由储存在储罐内的燃料与氧化剂的量决定。在阳极，氢气与碱中的0H在电催化剂的作用下，发生氧化反应生成水和电子：H2十20HH20十2e0＝0.828V电子通过外电路到达阴极，在阴极电催化剂的作用下，参与氧的还原反应：02十2H20十4e40H0＝0.4

5、01V生成的0H通过多孔膜迁移到氢电极。为保持电池连续工作，除了需与电池消耗氢气、氧气等速地供应氢气和氧气外，还需连续、等速地从阳极(氢电极)排出电池反应生成的水，以维持电解液浓度的恒定；排除电池反应的废热以维持电池工作温度的恒定。一个单池，工作电压仅0.61.0伏，为满足用户的需要，需将多节单池组合起来，构成一个电池组(stack)。依据用户对电池工作电压的需求，确定电池组单电池的节数，再依据用户对电池组功率的要求，和对电池组效率及电池组重量与体积比功率的综合考虑，确定电池的工作面积。以燃料电

6、池组为核心，构建燃料(如氢)供给的分系统，氧化剂(如氧)供应的分系统，水热管理分系统和输出直流电升压、稳压分系统。如果用户需要交流电，还需加入直流交流逆变部分构成总的燃料电池系统。因此一台燃料电池系统相当于一个小型自动运行的发电厂，它高效、无污染地将贮存在燃料与氧化剂中的化学能转化为电能。材料科学是燃料电池发展的基础。一种新的性能优良的材料的发现及其在燃料电池中的应用，会促进一种燃料电池的飞速发展。例如，石棉膜的研制及其在碱性电池中的成功应用，确保了石棉膜碱性氢氧燃料电池成功地用于航天飞机。在熔融碳

7、酸盐中稳定的偏铝酸锂隔膜的研制成功，加速了熔融碳酸盐燃料电池兆瓦级实验电站的建设。氧化钇稳定的氧化锆固体电解质隔膜的发展，使固体氧化物燃料电池成为未来燃料电池分散电站的研究热点。而全氟磺酸型质子交换膜的出现，又促使质子交换膜燃料电池的研究得到复兴，进而迅猛发展。至今质子交换膜燃料电池已被看作电动车和不依赖空气推进的潜艇的最佳候选电源，成为世界各国竞争的焦点。染料电池的特点燃料电池在本质上是电化学转化装置，它能够通过电化学过程直接将化学能转化为电能和热能，具有如下优点:1)干净清洁：利于环保，可减少二

8、氧化碳的排放，无噪音，并自给供水。2)高效：由于其转化过程没有经过热机过程，因此效率高。3)适用性：由于污染小，无噪音，可靠，可使用于终端用户，因而可减少各种损失，并节省设备投资。4)可调制性：由于它是组合的结构，因而可以调节，以满足各种需求。5)燃料多样性：由于燃料可以是氢气、天然气、煤气、沼气的功能碳氢化合物燃料。基于以上特点，燃料电池成为绿色能源技术发展的重点，成为本世纪最有发展前途的技术之一。PEMFC以其独特的优势成为适应性最广的燃料电池类型，具有十分广阔的